原文作者劉冬柏   http://blog.sina.com.cn/liudongbai1951     已發(fā)表于《中外建筑》2010年02月

近幾年來，有不少地下室因地下水的作用而造成工程事故，如某醫(yī)院兩層獨立地下車庫，在施工過程中，出現(xiàn)整體上浮，最大上浮高度達1.42m；又如，某體育中心游泳館，地下室上浮造成上部結(jié)構(gòu)梁、板、柱產(chǎn)生大量裂縫；再如，某高層建筑地下室底板局部隆起高達350mm，柱間板出現(xiàn)45°破壞性裂縫……諸如此類問題時有發(fā)生，造成了財產(chǎn)的損失。本文對產(chǎn)生這些事故的原因歸納總結(jié)成以下四個方面，與同行們共同討論：

一、抗浮設(shè)計中基本概念

在多個地下室因水浮力作用而引發(fā)的工程亊故中，我們發(fā)現(xiàn)有些設(shè)計人員對地下水的作用認識不足，抗浮設(shè)計的基本概念不夠清晰，常見的有下列幾種情況：

1）重視地下室的梁、板、柱、墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計，忽視整體抗浮驗算分析，忽視施工的抗浮措施，總認為具有上萬噸自重的地下室怎么會浮起來呢

2）地下室底板裂縫、漏水，甚至成為地下游泳池，把某些實質(zhì)上是因為地下水的作用遠大于設(shè)計荷載而造的工程事故，錯判為溫度應(yīng)力作用、砼施工質(zhì)量問題等。

3）對于基底為不透水土層的地基（基巖、堅硬粘土），深基坑支護又采用了止水帷幕或樁、錨、噴射混凝土聯(lián)合支護，忽視水的浮力。

試想萬噸級以上大船能在江、河、海中航行，可見水的作用力之大。地下室就像一條“船”，地下室底板和側(cè)墻形成一個密閉的船身，它的水浮力有多少呢，是它浸泡在水中的體積乘以水容重，若一個50×100m的地下室，抗浮水位為5m，它的浮力為25000噸，可見水浮力之大。地下室的抗浮設(shè)計就是要使這個船既不上浮，船身又不破壞，因此，地下室的抗浮設(shè)計應(yīng)進行整體抗浮和局部抗浮驗算。

為防止地下室整體上浮我們通常采用兩類做法，一類為“壓”，一類為“拉”。 當(dāng)采用“壓”的做法時，利用建筑的自重（包括結(jié)構(gòu)及建筑裝修、上部覆土等，不含樓面活荷載）平衡地下室水的總浮力，當(dāng)不能平衡時，必須增加“拉”的做法，即采用樁或錨桿等來抵抗地下水的浮力。無論是“壓”還是“拉”的做法，都必須進行整體抗浮驗算，保證抗浮力（壓重+抗拉力）大于水的總浮力，即 。

局部抗浮驗算，除了梁板墻柱結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度驗算、變形驗算和裂縫驗算，還應(yīng)包括局部的抗浮驗算，對于大面積地下室上建有多棟高層和低層建筑，建筑自重不均勻，當(dāng)上部為高層或恒荷載較大時，該范圍的整體抗浮能力可能較高，但上部沒有建筑或建筑層數(shù)不多的局部范圍，特別應(yīng)進行分區(qū)、分塊的局部抗浮驗算，例如：柱、樁、墻的壓力或拉力能否平衡它所影響區(qū)域里的水浮力總值。

然而有些設(shè)計人員對上述最基本的概念還不夠清晰，例如，有些設(shè)計人員只對地下室底板的梁、板、墻在地下水浮力荷載作用下的強度計算，未做整體抗浮的認真分析，特別是獨立地下室、水池等，造成地下室整體上浮，給地下室結(jié)構(gòu)帶來嚴重破壞，難以進行復(fù)原處理。又如有些設(shè)計人員利用上部結(jié)構(gòu)自重抗浮，只計算上部結(jié)構(gòu)總自重標準值大于總的水浮力設(shè)計值，就認為抗浮設(shè)計滿足要求。既不分析其上部建筑荷載的分布，又未計算局部抗浮，局部范圍因抗浮力小于水浮力，底板隆起、造成地下室及上部結(jié)構(gòu)局部范圍內(nèi)大面積破壞。再如，在地下室底板計算中只驗算強度不進行變形的裂縫寬度的計算，造成底板產(chǎn)生裂縫，漏水嚴重，形成“地下游泳池”。

更值得一提的是，有些設(shè)計人員和施工人員對地表水作用認識不足，當(dāng)?shù)叵率业鼗鶠椴煌杆膸r土層、支護又嚴密的基坑，一般認為不存在水的浮力，因此造成施工期間或使用期間地下室上浮破壞的盲點，一旦暴雨來臨，地面的地表水全流入基坑形成“腳盆”效應(yīng)，即基坑為 “大腳盆”，地下室成為“小腳盆”。施工期間一旦未及時采取降水措施就會將“小腳盆”浮起，使用期間若不將四周的回填土采用粘性土分層夯實形成止水層，也同樣會產(chǎn)生“腳盆”效應(yīng)。

另外，有些設(shè)計人員和施工人員忽視施工對地下室抗浮的重要性，設(shè)計圖紙對施工時抗浮措施的要求只字不提，施工人員在施工過程中不關(guān)注降水，沒有采取降水措施或在抗浮結(jié)構(gòu)未達到設(shè)計預(yù)定目標時就停止了降水，導(dǎo)致在施工期間產(chǎn)生地下室整體上浮事件時有發(fā)生，產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因除經(jīng)驗外，主要是對我國現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范，規(guī)定不了解。例如《地下室防水技術(shù)規(guī)范》在第10章中明確規(guī)定了，“明挖法地下室防水施工時，地下水位應(yīng)降至工程底部最低高程500mm以下，降水作用應(yīng)持續(xù)至回填完畢”；建設(shè)部《建筑工程設(shè)計文件編制深度規(guī)定》的第 4.4.3條第8款中，規(guī)定了“地下室抗?。ǚ浪┰O(shè)計水位及抗浮措施，施工期間的降水要求及終止降水的條件等”應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計說明中明示；這些規(guī)定是經(jīng)驗的總結(jié)，我們應(yīng)該嚴格按照相關(guān)規(guī)定做好地下室的抗浮設(shè)計和抗浮施工。

綜上所述，我們在進行工程的抗浮設(shè)計時，要做到以下三個步驟：

1）  仔細研讀勘察報告；

2）  進行整體抗浮和局部抗浮驗算，并提出施工期間的抗浮措施和降水措施；

3）  對存在“腳盆”效應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行分析。

二、地下室抗浮水位的確定

勘察單位在提供的勘察報告中，地下室的抗浮水位不嚴謹，而設(shè)計人員又缺乏對勘察報告的認真研讀和分析，表現(xiàn)出如下四種情況的隨意性：

1）   勘察報告未明確抗浮水位，只描述鉆孔的可見水位；

2）   臨近江河且具有透水層的建筑場地，按一般場地提出抗浮水位，未考慮設(shè)計使用年限的江河最高洪水位的影響。

3）   根據(jù)業(yè)主節(jié)約投資的需要，或者業(yè)主要求增設(shè)地下室后，原勘察報告無抗浮水位的參數(shù)，又未進行補充勘察，隨意修改或確定抗浮水位。

4）   對坡地建筑，提供的抗浮水位遠高于建筑設(shè)計的地坪標高，設(shè)計人員未進行認真的分析造成浪費。

以上四種做法中，第1）、2）、3）種情況，導(dǎo)致地下室因抗浮能力不夠而使得結(jié)構(gòu)破壞，第4種導(dǎo)致不合理的設(shè)計，增大工程投資，造成資源浪費。

地下室抗浮水位是一個十分復(fù)雜的問題，地質(zhì)場地土層差異性，場地土內(nèi)陸下水復(fù)雜多變性，給地下室抗浮水位的確定帶來了較大困難，然而抗浮水位又是地下室抗浮設(shè)計中一個決定性的參數(shù)。

如何做到既安全又合理的確定其抗浮水位？勘察、設(shè)計人員應(yīng)遵照《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021）及《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》（JGJ 72）的相關(guān)規(guī)定進行勘察和分析。其中，根據(jù)《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》第8.6.2條，場地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確定宜符合下列規(guī)定：

1）   當(dāng)有長期水位觀測資料時，場地抗浮設(shè)防水位可用實測最高水位，無長期水位觀察資料時，應(yīng)按勘察期間實測最高水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補給、排泄條件等因素綜合確定。

2）   場地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時，應(yīng)實測承壓水位并考慮其對抗浮設(shè)防水位的影響；

3）   只考慮施工期間的抗浮設(shè)防時，抗浮設(shè)防水位可按一個水文年的最高水位確定。

此外，設(shè)計人員對于下列一些特殊情況還應(yīng)進行必要的分析和論證：一是地下水賦存條件復(fù)雜、變化幅度大、區(qū)域性補給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時，應(yīng)進行專門論證；二是對于斜坡地段的地下室或可能產(chǎn)生明顯水頭差的場地上的地下室進行抗浮設(shè)計時，應(yīng)考慮地下水滲流在地下室底板產(chǎn)生的非均布荷載對地下室結(jié)構(gòu)的影響，不要籠統(tǒng)的采用勘察報告所提供的遠高于室外地坪的地下室抗浮水位來進行設(shè)計。水是往低處流的，若建筑物一側(cè)或多側(cè)是敞開的，水浮力不可能高出室外地坪；三是在有水頭壓差的江、河岸邊，且存在濾水層，應(yīng)按設(shè)計基準期的最高洪水位來確定其抗浮水位；四是對于雨水豐富的南方地區(qū)，尤其應(yīng)注意因地面標高發(fā)生變化后對原勘察報告抗浮水位的修正，防止產(chǎn)生地表水聚集效應(yīng)對地下室的破壞。

三、抗浮驗算中的幾個參數(shù)討論

    水浮力的分項系數(shù)和抵抗力的分項系數(shù)，以及抗浮錨桿鋼筋抗拉工作條件系數(shù)、抗拉設(shè)計強度如何取值，是目前在地下室抗浮設(shè)計中很有爭議的問題。

1. 我國不同規(guī)范對水浮力和抵抗力的分項系數(shù)有不同的取值，造成設(shè)計人員分項系數(shù)取值時的混亂。

《荷載規(guī)范》中第 3.2.5條規(guī)定，抵抗水浮力的結(jié)構(gòu)自重作為永久荷載，對結(jié)構(gòu)有利組合時其分項系數(shù)γ_G取1.0是無爭議的，但水浮力是可變荷載，其分項系數(shù)γ_Q應(yīng)如何取值呢？在該條第3款中，“對結(jié)構(gòu)傾覆、滑移和漂浮驗算，荷載的分項系數(shù)應(yīng)按有關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定采用”。在查閱相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中，民用建筑地下室及人民防空地下室均未涉及到此項內(nèi)容，只有《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50069提到了關(guān)于水浮力可變荷載的分項系數(shù)問題。

    《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50069-2002第5.2.2條和5.2.3條中比較清楚的表述了，對于抗浮結(jié)構(gòu)的設(shè)計，地表水或地下水作用應(yīng)是第一可變荷載，1）在進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度計算時，它的分項系數(shù)取為1.27；即，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度計算時，水浮力的基本組合設(shè)計值為標準值乘上1.27。2）當(dāng)計算整體抗浮的穩(wěn)定性時，抵抗力只計入永久荷載，水浮力采用標準值乘以抗力系數(shù)Ks（取1.05）。民用建筑地下室和給排水構(gòu)筑物在使用功能上存在著一定的差異，但其水浮力的作用和結(jié)構(gòu)的受力性能應(yīng)是相似的。在相關(guān)規(guī)范還沒有做出明確規(guī)定之前，此規(guī)范的相關(guān)參數(shù)值得借鑒。3）若設(shè)計者對抗浮水位存在質(zhì)疑，應(yīng)將水浮力按荷載規(guī)范中的永久荷載和可變荷載的方法來確定分項系數(shù)。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》第3.1.1條的條文說明，“按《工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準》GB50153的規(guī)定，水位不變的水壓力按永久荷載考慮，水位變化的水壓力按可變荷載考慮”，是否可以理解為當(dāng)抗浮水位平室外地坪時，水壓力是不可能再增加了，視為不變的水壓力。加之，在驗算抗浮時，水浮力為主要可變荷載效應(yīng)來控制的組合，它的分項系數(shù)宜取1.20；當(dāng)抗浮水位低于室外地坪，水壓力有可能再增加，視為可變荷載，它的分項系數(shù)宜取為1.4。

2. 錨桿工作系數(shù)和錨桿鋼筋取值

錨桿抗浮設(shè)計時，錨桿鋼筋截面面積計算現(xiàn)行的規(guī)范中無明確的計算規(guī)定，因此設(shè)計單位有兩種不同版本的設(shè)計公式。

     第一種，采用《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》正截面受拉承載力計算公式：

第二種，采用《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》中，錨桿鋼筋截面面積的計算公式：

從兩個公式中，我們可以看出鋼筋強度fy是一致的，可按照《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第4.2.3條表4.2.3-1的抗拉鋼筋設(shè)計強度取值。

公式中不同的是，《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》公式中多了兩個系數(shù)，一是邊坡工程重要性系數(shù)γ₀，若取1.0，在本文中不做討論，二是錨桿鋼筋的抗拉工作條件系數(shù)ζ₂，作為永久性錨桿時取0.69。上述兩公式計算得出的錨桿鋼筋截面面積就比較大了。加之，一般錨桿的抗拉鋼筋直徑大、強度高，有些設(shè)計人員采用《砼規(guī)范》中鋼筋的軸心受拉強度公式，既未取工作條件系數(shù)，而且未按規(guī)范4.2.3-1表注取值，“在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強度設(shè)計值對于300N/mm²時，仍應(yīng)按300 N/mm²取用”，而設(shè)計人員采用HRB400級鋼筋時，仍取fy=360 N/mm²。而有些設(shè)計人員采用《建筑邊坡技術(shù)規(guī)范》錨桿鋼筋截面計算公式，工作條件系數(shù)ζ₂取0.69，HRB400鋼筋的抗拉強度又取300 N/mm²，錨桿鋼筋的計算面積之大，使人難以接受，兩種不同的版本形成了相差一倍的計算結(jié)果，是值得我們探討和研究的，從抗浮錨桿的工作條件，參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的計算公式，并無道理，但抗浮錨桿的成孔及構(gòu)造要求較之邊坡錨桿要穩(wěn)定得多，如清孔較容易，砼強度要求C30等，采用《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》較為接近構(gòu)件的受力特征。在錨桿鋼筋截面的計算中，我們建議按《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的正截面受拉承載力計算的公式，但鋼筋的取值應(yīng)該按軸心受拉和小偏心受拉構(gòu)件的鋼筋抗拉強度設(shè)計值計算，這樣顯得較為合理。

四、錨桿抗浮驗算傳力途徑

在目前的地下室采用錨桿抗浮設(shè)計中，有下列2種混亂的方法：

1）上部建筑結(jié)構(gòu)荷重不滿足整體抗浮要求，采用錨桿抗浮。其計算方法為：總的水浮力設(shè)計值/單根錨桿設(shè)計值＝所需錨桿根數(shù)。具體做法：底板下（連柱底或砼墻下）滿鋪錨桿，水浮力全部由錨桿承擔(dān)，既不考慮上部建筑自重，也不考慮地下室底板自重可抵抗水浮力的作用，保守且不合理。

2）利用上部結(jié)構(gòu)自重和錨桿共同抗浮，其計算方法為：（總的水浮力設(shè)計值－底板及上部結(jié)構(gòu)自重設(shè)計值）/單根錨桿設(shè)計值＝所需錨桿根數(shù)。具體做法：將錨桿均勻分布在底板下（包括柱底或砼墻下），錨桿間距用底部面積除所需錨桿根數(shù)確定。

以上兩種抗浮設(shè)計方法，都出現(xiàn)了傳力途徑不清晰的錯誤。從理論上說，不管采用“壓”還是“拉”的方法抵抗水浮力，水的浮力是均勻作用在底板上，而結(jié)構(gòu)抗浮力作用（除底板自重外）都具有不均勻性，并不是在整個地下室底板區(qū)域均勻分布的，可能是集中在一個點上（即柱、樁和錨桿）或一條線上（即墻、梁），因此，分析其傳力途徑尤為重要。

如圖所示，由于與柱、墻相連的梁板一定范圍內(nèi)具有一定的剛度，水浮力可直接與上部結(jié)構(gòu)自重平衡，而上部自重很難傳遞至遠離梁、柱、樁、墻的區(qū)域。因此，上述第一種方法全部采用錨桿抗浮，上部結(jié)構(gòu)自重未充分利用。第二種方法，減去上部建筑自重后的水浮力由錨桿平均承擔(dān)，存在安全隱患。因為，中間區(qū)域的錨桿實際受力不會是減去上部自重的水浮力，上部建筑自重是集中在一個點（即柱）或一條線（即墻、梁）上的，要達到將自重均勻分布到底板上的假定，底板必須具備兩個條件，一是完全按自重抗浮，底板的梁板采用倒置樓蓋計算，保證水浮力傳至柱上或墻上，二是做到底板剛度無窮大，才有可能將點線作用力均勻分布與錨桿共同抗浮。實際結(jié)構(gòu)未滿足上述兩個條件時，一旦地下水達到抗浮設(shè)計水位，首先中間純底板抵抗區(qū)域的錨桿破壞和失效，然后慢慢延伸至柱、墻、梁影響區(qū)域的錨桿，造成所有錨桿失效，最后底板隆起，梁板開裂破壞。

合理做法是：抗浮力與水浮力平衡計算可分成兩種區(qū)域：柱、墻、梁影響區(qū)域和純底板抵抗區(qū)域。純底板抵抗區(qū)域的計算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計承載力除以每平方米水浮力（減去每平米底板自重），得到抗浮錨桿的受力面積；而柱、墻、梁影響區(qū)域應(yīng)充分利用上部建筑自重進行抗浮，驗算傳遞的上部建筑自重是否能平衡該區(qū)域的水浮力，此外，還應(yīng)驗算在水浮力作用下梁強度和裂縫滿足要求。

計算方法具體可分解為以下四個方面：

1）在柱、墻、梁影響區(qū)格中：梁、墻可以傳遞的建筑自重線荷載除以每平方米的水浮力，得到影響區(qū)域的寬度b。其中梁傳遞的建筑自重荷載，根據(jù)柱子的建筑自重按照與其相連的梁剛度分配所得。

2）靠近梁、墻的第一排錨桿：其從屬寬度b0應(yīng)是梁、墻傳遞建筑自重影響區(qū)域的寬度b，即b0=b，由于每根錨桿的抵抗面積有限，當(dāng)上部自重較大時，為充分利用該部分自重，可以考慮加密靠近地梁第一排錨桿的間距。

3）純底板抵抗區(qū)域的計算方法應(yīng)是抗浮錨桿設(shè)計承載力除以每平方米水浮力，得到抗浮錨桿的受力面積，即A單根錨桿=c2=q水/F單根錨桿，其中c為純底板抵抗區(qū)域中間排錨桿的間距。例如，水浮力設(shè)計值為每平方米50kN，單根抗浮錨桿的設(shè)計承載力為250kN，它能承受的抗浮力的受力面積為5平方米，若采用點式布置，錨桿的間距為2.25*2.25米。

4）第一排錨桿與第二排錨桿的間距a=b/2+c/2。

無論是柱、墻、梁和純底板區(qū)格的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（錨桿、梁、板、墻）計算時應(yīng)注意兩個問題，一是水浮力設(shè)計值都不應(yīng)該直接采用抗浮的水浮力值，應(yīng)減去底板本身的自重。二是梁、板、柱、墻構(gòu)件計算時應(yīng)根據(jù)其實際受力情況確定相應(yīng)計算模型，進行強度、裂縫寬度計算。例如，梁傳遞建筑自重的影響區(qū)域的寬度為2米，每平米水浮力設(shè)計值為50kN，作用在梁上的線荷載為每米100kN。梁要將該荷載傳遞到柱、樁上，該梁必須根據(jù)其跨度計算其強度、裂縫寬度，以確保梁能將實際的受力荷載傳遞給柱、樁、墻形成平衡。